一种基于反应离子刻蚀的黑硅钝化接触电池的制备方法与流程

本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于反应离子刻蚀的黑硅钝化接触电池的制备方法。

背景技术：

在晶体硅太阳电池中，光学、电学和电阻损失是限制太阳能电池效率的主要因素。目前已有的商业化晶体硅太阳电池中，多晶太阳能电池采用酸制绒，形成蠕虫状的孔洞结构，制绒后表面反射率在16％-20％；相较于多晶电池，单晶电池表面采用碱制绒技术，形成金字塔结构，可以获得比常规多晶电池更低的表面反射率，制绒后反射率为11％-13％。由于多晶硅片金刚线切割的推广，常规的酸制绒工艺后表面反射率更高，并且伴有明显的线痕等外观缺陷，严重影响多晶电池效率，黑硅技术可以完美的解决这一问题。

目前，国内已经有一些厂商将该黑硅技术应用到多晶电池生产中，该技术可以降低表面反射率，提升电池的短路电流，从而提升电池效率。然而，黑硅技术在单晶电池中的应用却鲜有报道。在单晶电池中叠加黑硅技术，可以进一步的降低电池表面反射率，提升短路电流，从而提升电池效率；此外，黑硅单晶电池表面各角度反射率均很低，而常规单晶只对垂直入射的光反射率低，黑硅topcon电池可以满足特斯拉瓦的需求。

目前，常用的黑硅技术有如下几种：1)激光刻蚀法、2)气相腐蚀法、3)金属催化化学腐蚀法。其中，激光刻蚀法和气相腐蚀法由于设备造价昂贵，在产业化中应用很少，一般用于实验室研究。

金属催化化学腐蚀法在多晶电池产业中有广泛的应用，其主要利用金属的催化能力，通过利用agno3/h2o2的混合溶液或者cuso4/hf的混合溶液来刻蚀硅表面。其原理为：溶液中的金属离子扩散到硅片表面后，从硅片中吸收电子被还原成金属单质吸附在硅片表面，同时将金属单质下的硅氧化成氧化硅，随着反应的持续进行，在硅片表面形成纳米级孔洞结构。该制备方法会引入金属离子，这将对后续的清洗要求更高；并且，该制备方法中，形成的纳米级孔洞结构的尺寸与引入的金属粒子大小的相关，无法获得定制大小的孔洞结构。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于反应离子刻蚀的黑硅钝化接触电池的制备方法。

本发明的一种基于反应离子刻蚀的黑硅钝化接触电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)、对制绒后的n型单晶硅基体前表面进行反应离子刻蚀处理，以在微米级的金字塔结构上形成纳米级孔洞结构；

(2)、清洗步骤(1)处理后的n型单晶硅基体，以去除反应离子刻蚀过程中产生的残留物和离子轰击形成的损伤层，并对所述纳米级孔洞结构进行扩孔处理；

(3)、对步骤(2)处理后的n型单晶硅基体进行后处理。

本发明提供的一种基于反应离子刻蚀的黑硅钝化接触电池的制备方法，还包括如下附属技术方案：

其中，在步骤(1)中，

反应离子刻蚀的气体为sf4、cl2与o2的混合气体，反应离子刻蚀的功率为100-600w；其中，sf4、cl2与o2的体积比为1：1：2-1：1：4。

其中，在步骤(1)中，

所述纳米级孔洞结构的内径为50-300nm，深度为50-300nm。

其中，在步骤(2)中，

采用boe、h2o2与h2o的混合溶液清洗步骤(1)处理后的n型单晶硅基体，清洗时的温度为20～25℃，清洗时间为30～3000s。

在步骤(2)中，

boe、h2o2与h2o的混合溶液中，boe、h2o2与h2o的体积比为1:2:5。

其中，在步骤(3)中，所述对步骤(2)处理后的n型单晶硅基体进行后处理包括：

(3.1)、对步骤(2)处理后的n型单晶硅基体进行硼掺杂，形成正面p+发射极和背面p+发射极；

(3.2)、采用酸性溶液刻蚀n型单晶硅基体的背面，以去除背面p+发射极，并在n型单晶硅基体背面形成平整形貌；

(3.3)、在n型单晶硅基体的背面制备背面隧穿氧化层和背面掺杂多晶硅层；

(3.4)、在n型单晶硅基体的正面制备正面钝化减反膜，并在n型单晶硅基体的背面制备背面钝化减反膜；

(3.5)、在n型单晶硅基体的正面制备正面“h”型栅线，在n型单晶硅基体的背面制备背面“h”型栅线。

其中，在步骤(3.1)中，

采用硼扩散的方法对步骤(2)处理后的n型单晶硅基体进行硼掺杂，硼扩散的硼源为三溴化硼，扩散温度为950-1100℃，扩散方阻为70～150ω/sq。

其中，在步骤(3.2)中，

采用hf/hno3/h2so4的混合溶液刻蚀n型单晶硅基体的背面，刻蚀完成后，n型单晶硅基体减重0.4～0.8g；其中，hf、hno3与h2so4的体积比为3:7:1。

其中，在步骤(3.3)中，

所述背面隧穿氧化层的厚度为0.5～1.5nm，所述背面掺杂多晶硅层的厚度为60～300nm。

其中，在步骤(3.4)中，

所述正面钝化减反膜为氧化铝和氮化硅的叠层膜，所述背面钝化减反膜为氮化硅的单层膜。

其中，在步骤(3.5)中，

所述正面“h”型栅线包括正面主栅和正面副栅；所述正面主栅等间距设置4-12根，其宽度为100～800μm，高度为10～40μm；所述背面副栅等间距设置90～120根，其宽度为20～60μm，高度为10～40μm；

所述背面“h”型栅线包括背面主栅和背面副栅；所述背面主栅等间距设置4-12根，其宽度为100～800μm，高度为10～40μm；所述背面副栅等间距设置90～120根，其宽度为20～60μm，高度为10～40μm。

其中，在步骤(1)之前，所述方法还包括：

(1)’、对n型单晶硅基体进行预清洗，去除机械损伤层，并进行碱制绒处理，形成金字塔结构，所述金字塔结构上靠近所述n型单晶硅基体一端的厚度为2-5um。

本发明的实施包括以下技术效果：

本发明中的黑硅钝化接触电池相较于常规的钝化接触电池而言，其对各个方向的光均有良好的吸收，不受光线入射角度的影响。再者，本发明针对黑硅技术因比表面积大而带来的电学损失增大的情况，通过调整反应离子刻蚀黑硅后的清洗工艺来弥补电学损失，从而保证开路电压持平。最后，本发明的制备方法不会引入金属离子，其对后续的清洗工艺要求不高，且能获得定制大小的纳米级孔洞结构，其工艺简单，稳定性可靠，适用于大规模量产。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于反应离子刻蚀的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤(1)’后的电池结构截面示意图。

图2为本发明实施例的一种基于反应离子刻蚀的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤(1)后的电池结构截面示意图。

图3为本发明实施例的一种基于反应离子刻蚀的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤(3.1)后的电池结构截面示意图。

图4为本发明实施例的一种基于反应离子刻蚀的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤(3.2)后的电池结构截面示意图。

图5为本发明实施例的一种基于反应离子刻蚀的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤(3.3)后的电池结构截面示意图。

图6为本发明实施例的一种基于反应离子刻蚀的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤(3.4)后的电池结构截面示意图。

图7为本发明实施例的一种基于反应离子刻蚀的黑硅钝化接触电池的制备方法步骤(3.5)后的电池结构截面示意图。

图中，1-n型晶体n型单晶硅基体，2-金字塔结构，3-纳米级孔洞结构，4-p+发射极，5-平整形貌，6-背面隧穿氧化层，7-背面掺杂多晶硅层，8-正面钝化减反膜，9-背面钝化减反膜，10-正面“h”型栅线，11-背面“h”型栅线。

具体实施方式

下面结合实例对本发明进行详细的说明。

具体实施例仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到保护。

本发明的一种基于反应离子刻蚀的黑硅钝化接触电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)、对制绒后的n型单晶硅基体前表面进行反应离子刻蚀处理，以在微米级的金字塔结构上形成纳米级孔洞结构；

(2)、清洗步骤(1)处理后的n型单晶硅基体，以去除反应离子刻蚀过程中产生的残留物和离子轰击形成的损伤层，并对所述纳米级孔洞结构进行扩孔处理；

(3)、对步骤(2)处理后的n型单晶硅基体进行后处理。

本发明创造性地将反应离子刻蚀黑硅技术与单晶topcon电池技术相结合，降低了电池表面反射率，提高了电池短路电流，从而提高了电流效率。并且，本发明中的黑硅钝化接触电池相较于常规的钝化接触电池而言，其对各个方向的光均有良好的吸收，不受光线入射角度的影响。再者，本发明针对黑硅技术因比表面积大而带来的电学损失增大的情况，通过调整反应离子刻蚀黑硅后的清洗工艺来弥补电学损失，从而保证开路电压持平。最后，本发明的制备方法不会引入金属离子，其对后续的清洗工艺要求不高，且能获得定制大小的纳米级孔洞结构，其工艺简单，稳定性可靠，适用于大规模量产。

在一个实施例中，在步骤(1)中，

反应离子刻蚀的气体为sf4、cl2与o2的混合气体，反应离子刻蚀的功率为100-600w；其中，sf4、cl2与o2的体积比为1：1：2-1：1：4。

所述纳米级孔洞结构的内径为50-300nm，深度为50-300nm。

在一个实施例中，在步骤(2)中，

采用boe、h2o2与h2o的混合溶液清洗步骤(1)处理后的n型单晶硅基体，清洗时的温度为20～25℃，清洗时间为30～3000s。

boe、h2o2与h2o的混合溶液中，boe、h2o2与h2o的体积比为1:2:5。

需要说明的是，本实施例中的boe为氟化铵与氢氟酸的混合溶液的简称。

在一个实施例中，在步骤(3)中，所述对步骤(2)处理后的n型单晶硅基体进行后处理包括：

(3.1)、对步骤(2)处理后的n型单晶硅基体进行硼掺杂，形成正面p+发射极和背面p+发射极；

(3.2)、采用酸性溶液刻蚀n型单晶硅基体的背面，以去除背面p+发射极，并在n型单晶硅基体背面形成平整形貌；

(3.3)、在n型单晶硅基体的背面制备背面隧穿氧化层和背面掺杂多晶硅层；

(3.4)、在n型单晶硅基体的正面制备正面钝化减反膜，并在n型单晶硅基体的背面制备背面钝化减反膜；

(3.5)、在n型单晶硅基体的正面制备正面“h”型栅线，在n型单晶硅基体的背面制备背面“h”型栅线；

在一个实施例中，在步骤(3.1)中，

采用硼扩散的方法对步骤(2)处理后的n型单晶硅基体进行硼掺杂，硼扩散的硼源为三溴化硼，扩散温度为950-1100℃，扩散方阻为70～150ω/sq。

在一个实施例中，在步骤(3.2)中，

采用hf/hno3/h2so4的混合溶液刻蚀n型单晶硅基体的背面，刻蚀完成后，n型单晶硅基体减重0.4～0.8g。

在一个实施例中，在步骤(3.3)中，

所述背面隧穿氧化层的厚度为0.5～1.5nm，所述背面掺杂多晶硅层的厚度为60～300nm。

在一个实施例中，在步骤(3.4)中，

所述正面钝化减反膜为氧化铝和氮化硅的叠层膜，所述背面钝化减反膜为氮化硅的单层膜。

在一个实施例中，，在步骤(3.5)中，

所述正面“h”型栅线包括正面主栅和正面副栅；所述正面主栅等间距设置4-12根，其宽度为100～800μm，高度为10～40μm；所述背面副栅等间距设置90～120根，其宽度为20～60μm，高度为10～40μm；

所述背面“h”型栅线包括背面主栅和背面副栅；所述背面主栅等间距设置4-12根，其宽度为100～800μm，高度为10～40μm；所述背面副栅等间距设置90～120根，其宽度为20～60μm，高度为10～40μm。

可选地，在步骤(1)之前，所述方法还包括：

(1)’、对n型单晶硅基体进行预清洗，去除机械损伤层，并进行碱制绒处理，形成金字塔结构，所述金字塔结构上靠近所述n型单晶硅基体一端的厚度为2-5um。

具体地，本发明的反应离子刻蚀法是一种等离子体刻蚀技术，其综合利用了等离子体的化学刻蚀能力和等离子体的离子动能，是化学过程和物理过程的协同过程。其采用辉光放电的方式对气体分子进行分解和电离，产生可以进行化学反应的离子态的反应物，以与硅片反应生成挥发性的生产物。其整个过程包括辉光放电产生等离子体，直流偏压的形成，反应物的扩散和强制对流，反应物在硅片上的吸收、反应、解吸的过程。其采用的是sf4/cl2/o2的混合气体。其反应过程主要分为以下几步：

1)sf4和cl2通过辉光放电形成f^-和cl^-；

2)f^-和cl^-刻蚀硅形成sixoyfz和sixoyclz；

3)sfx等一些离子会对刻蚀坑的底部产生溅射作用，以去除sixoyfz和sixoyclz。

其中，sf4等离子体f^-起各向同性作用，cl2等离子体cl^-起各项异性作用。通过调整sf4/cl2气流量比例控制f/cl原子密度比例，最终刻蚀形成不同纳米结构。跟金属催化化学腐蚀法相比，本发明的反应离子刻蚀法(rie)可以更加精准地控制纳米结构的尺寸。

下面将以具体的实施例对发明的制备方法进行详细地说明。

实施例1

步骤(1)’、选择n型晶体n型单晶硅基体1，对n型晶体n型单晶硅基体1进行预清洗，去除机械损伤层，并进行碱制绒处理，形成金字塔结构2，如图1所示。其中，n型n型单晶硅基体1的电阻率为0.3ω·cm，厚度为100μm，金字塔结构2的尺寸为2um。完成本步骤后的电池结构如图1所示。

步骤(1)、对制绒后的n型单晶硅基体的前表面进行反应离子刻蚀处理，以在微米级的金字塔结构2上形成均匀分布的纳米级孔洞结构3；其中，反应离子刻蚀处理的气体为sf4、cl2、o2的混合气体，反应离子刻蚀的功率为100w，形成的孔洞内径为50nm，深度为50nm，sf4、cl2与o2的体积比为1：1：2。完成本步骤后的电池结构如图2所示。

步骤(2)、采用boe、h2o2与h2o的混合溶液对反应离子刻蚀处理后的n型单晶硅基体进行扩孔清洗处理，以去除反应离子刻蚀过程中产生的残留物和离子轰击形成的损伤层，并对所述纳米级孔洞结构3进行扩孔处理。

步骤(3.1)、对扩孔后的n型单晶硅基体进行双面硼扩散，形成正面p+发射极4和背面p+发射极4。其中，硼扩散的硼源为硼浆，扩散温度为950℃，扩散方阻为70ω/sq。完成本步骤后的电池结构如图3所示。

步骤(3.2)、采用hf/hno3/h2so4的混合溶液刻蚀n型单晶硅基体的背面，以去除背面p+发射极4，并在n型单晶硅基体背面形成平整形貌5；其中，hf、hno3与h2so4的体积比为3:7:1。完成本步骤后的电池结构如图4所示。

步骤(3.3)、在n型n型单晶硅基体1的背面沉积背面隧穿氧化层6和背面掺杂多晶硅层7；其中，隧穿氧化层的厚度为0.5nm，掺杂多晶硅层的厚度为60nm。完成本步骤后的电池结构如图5所示。

步骤(3.4)、在n型n型单晶硅基体1的正面利用ald技术沉积正面钝化减反膜8，在n型单晶硅基体的背面利用ald技术沉积背面钝化减反膜9；其中，正面钝化减反膜8为氧化铝和氮化硅的叠层钝化减反膜，背面钝化减反膜9为氮化硅单层膜。完成本步骤后的电池结构如图6所示。

步骤(3.5)、在n型单晶硅基体的正面丝网印刷正面“h”型栅线10，并烧结，在n型单晶硅基体的背面丝网印刷背面“h”型栅线11，并烧结，正面“h”型栅线10为p+金属电极，背面“h”型栅线11为n+金属电极；其中，所述正面“h”型栅线包括正面主栅和正面副栅；所述正面主栅等间距设置4根，其宽度为100μm，高度为10μm；所述背面副栅等间距设置90根，其宽度为20μm，高度为10μm；所述背面“h”型栅线包括背面主栅和背面副栅；所述背面主栅等间距设置4根，其宽度为100μm，高度为10μm；所述背面副栅等间距设置90根，其宽度为20μm，高度为10μm。完成本步骤后的电池结构如图7所示。

实施例2

步骤(1)’、选择n型晶体n型单晶硅基体1，对n型晶体n型单晶硅基体1进行预清洗，去除机械损伤层，并进行碱制绒处理，形成金字塔结构2，如图1所示。其中，n型n型单晶硅基体1的电阻率为1.5ω·cm，厚度为200μm，金字塔结构2的尺寸为3um。完成本步骤后的电池结构如图1所示。

步骤(1)、对制绒后的n型单晶硅基体的前表面进行反应离子刻蚀处理，以在微米级的金字塔结构2上形成均匀分布的纳米级孔洞结构3；其中，反应离子刻蚀处理的气体为sf4、cl2、o2的混合气体，反应离子刻蚀的功率为300w，形成的孔洞内径为100nm，深度为100nm，sf4、cl2与o2的体积比为1：1：3。完成本步骤后的电池结构如图2所示。

步骤(2)、采用boe、h2o2与h2o的混合溶液对反应离子刻蚀处理后的n型单晶硅基体进行扩孔清洗处理，以去除反应离子刻蚀过程中产生的残留物和离子轰击形成的损伤层，并对所述纳米级孔洞结构3进行扩孔处理。

步骤(3.1)、对扩孔后的n型单晶硅基体进行双面硼扩散，形成正面p+发射极4和背面p+发射极。其中，硼扩散的硼源为三溴化硼，扩散温度为1000℃，扩散方阻为100ω/sq。完成本步骤后的电池结构如图3所示。

步骤(3.2)、采用hf/hno3/h2so4的混合溶液刻蚀n型单晶硅基体的背面，以去除背面p+发射极4，并在n型单晶硅基体背面形成平整形貌5；其中，hf、hno3与h2so4的体积比为3:7:1。完成本步骤后的电池结构如图4所示。

步骤(3.3)、在n型n型单晶硅基体1的背面沉积背面隧穿氧化层6和背面掺杂多晶硅层7；其中，隧穿氧化层的厚度为1nm，掺杂多晶硅层的厚度为100nm。完成本步骤后的电池结构如图5所示。

步骤(3.4)、在n型n型单晶硅基体1的在n型单晶硅基体的正面利用ald技术沉积正面钝化减反膜8，在n型单晶硅基体的背面利用ald技术沉积背面钝化减反膜9；其中，正面钝化减反膜8为氧化铝和氮化硅的叠层钝化减反膜，背面钝化减反膜9为氮化硅单层膜。完成本步骤后的电池结构如图6所示。

步骤(3.5)、在n型单晶硅基体的正面丝网印刷正面“h”型栅线10，并烧结，在n型单晶硅基体的背面丝网印刷背面“h”型栅线11，并烧结，正面“h”型栅线10为p+金属电极，背面“h”型栅线11为n+金属电极；其中，所述正面“h”型栅线包括正面主栅和正面副栅；所述正面主栅等间距设置8根，其宽度为500μm，高度为25μm；所述背面副栅等间距设置110根，其宽度为40μm，高度为30μm；所述背面“h”型栅线包括背面主栅和背面副栅；所述背面主栅等间距设置8根，其宽度为500μm，高度为25μm；所述背面副栅等间距设置110根，其宽度为40μm，高度为30μm。完成本步骤后的电池结构如图7所示。

实施例3

步骤(1)’、选择n型晶体n型单晶硅基体1，对n型晶体n型单晶硅基体1进行预清洗，去除机械损伤层，并进行碱制绒处理，形成金字塔结构2，如图1所示。其中，n型n型单晶硅基体1的电阻率为2.1ω·cm，厚度为300μm，金字塔结构2的尺寸为5um。完成本步骤后的电池结构如图1所示。

步骤(1)、对制绒后的n型单晶硅基体的前表面进行反应离子刻蚀处理，以在微米级的金字塔结构2上形成均匀分布的纳米级孔洞结构3；其中，反应离子刻蚀处理的气体为sf4、cl2、o2的混合气体，反应离子刻蚀的功率为600w，形成的孔洞内径为300nm，深度为300nm，sf4、cl2与o2的体积比为1：1：4。完成本步骤后的电池结构如图2所示。

步骤(2)、采用boe、h2o2与h2o的混合溶液对反应离子刻蚀处理后的n型单晶硅基体进行扩孔清洗处理，以去除反应离子刻蚀过程中产生的残留物和离子轰击形成的损伤层，并对所述纳米级孔洞结构3进行扩孔处理。

步骤(3.1)、对扩孔后的n型单晶硅基体进行双面硼扩散，形成正面p+发射极4和背面p+发射极。其中，硼扩散的硼源为硼奖，扩散温度为950-1100℃，扩散方阻为70～150ω/sq。完成本步骤后的电池结构如图3所示。

步骤(3.2)、采用hf/hno3/h2so4的混合溶液刻蚀n型单晶硅基体的背面，以去除背面p+发射极4，并在n型单晶硅基体背面形成平整形貌5；其中，hf、hno3与h2so4的体积比为3:7:1。完成本步骤后的电池结构如图4所示。

步骤(3.3)、在n型n型单晶硅基体1的背面沉积背面隧穿氧化层6和背面掺杂多晶硅层7；其中，隧穿氧化层的厚度为-1.5nm，掺杂多晶硅层的厚度为300nm。完成本步骤后的电池结构如图5所示。

步骤(3.4)、在n型n型单晶硅基体1的在n型单晶硅基体的正面利用ald技术沉积正面钝化减反膜8，在n型单晶硅基体的背面利用ald技术沉积背面钝化减反膜9；其中，正面钝化减反膜8为氧化铝和氮化硅的叠层钝化减反膜，背面钝化减反膜9为氮化硅单层膜。完成本步骤后的电池结构如图6所示。

步骤(3.5)、在n型单晶硅基体的正面丝网印刷正面“h”型栅线10，并烧结，在n型单晶硅基体的背面丝网印刷背面“h”型栅线11，并烧结，正面“h”型栅线10为p+金属电极，背面“h”型栅线11为n+金属电极；其中，所述正面“h”型栅线包括正面主栅和正面副栅；所述正面主栅等间距设置12根，其宽度为800μm，高度为40μm；所述背面副栅等间距设置120根，其宽度为60μm，高度为40μm；所述背面“h”型栅线包括背面主栅和背面副栅；所述背面主栅等间距设置12根，其宽度为800μm，高度为40μm；所述背面副栅等间距设置120根，其宽度为60μm，高度为40μm。完成本步骤后的电池结构如图7所示。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。